Perché un'architettura distribuita centralizzata è l'unica soluzione RAN praticabile a lungo termine
Dove siamo ora?
Le implementazioni iniziali del 5G sono definite “5G non autonomo (NSA)” e basate sulla doppia connettività. Qui è dove il dispositivo si connette prima a una stazione base LTE “Master” 4G e poi, sotto la direzione del master, stabilisce la connettività 5G.
Queste prime implementazioni del 5G utilizzano lo spettro nell’intervallo di frequenza 1 del 5G. In Europa è probabile che si trovi nella banda 3,4-3,8 GHz (ma non esclusivamente). In termini di copertura, le celle 5G che possono essere supportate a queste frequenze all’interno di paesi e città, consentono di co-localizzare le stazioni base “secondarie” 5G con la “master” 4G. Queste stazioni base sono sempre ben posizionate in luoghi sicuri e dotate di una buona connettività di backhaul, principalmente sotto forma di collegamenti in fibra. In effetti, il 5G viene utilizzato per aggiungere capacità al sito 4G esistente, apportando allo stesso tempo ulteriore efficienza in termini di tecniche di antenna più avanzate.
Cosa succede dopo?
Man mano che verrà rilasciato più spettro 5G, gli operatori inizieranno ad avere accesso alle frequenze delle onde millimetriche. Queste sono molto più alte (impostate tra 24,25 GHz e 27,5 GHz in Europa) rispetto alle frequenze cellulari tradizionali. Le caratteristiche del canale radio a onde millimetriche sono molto diverse, con un'attenuazione (perdita di segnale) molto maggiore sulla distanza e effetti di diffrazione ridotti, il che significa che eventuali "aree d'ombra del segnale" dietro gli edifici non vengono riempite così come lo sono alle frequenze più basse. Tutto ciò significa che la copertura delle celle a onde millimetriche 5G è limitata praticamente a circa 200 metri e in gran parte alla copertura della linea di vista.
Tuttavia, a queste frequenze più elevate, c’è molto spettro aggiuntivo disponibile (e quindi capacità). Inoltre, l'elevata attenuazione a distanza fa sì che le celle possano essere dispiegate in isolamento (singole o piccoli gruppi), riducendo notevolmente l'interferenza complessiva della rete. Pertanto, lo spettro notevolmente ampliato può essere riutilizzato anche a distanze minime molto ridotte rispetto allo spettro cellulare tradizionale. Infine, antenne di dimensioni più piccole implicano l'utilizzo di schiere di antenne, anziché di singole antenne. Ciò apre un mondo completamente nuovo di tecniche di antenna altamente efficienti, incluso il beamforming avanzato. Pertanto, nel complesso, l’attuale pensiero del settore è che il 5G a piccole celle (onde millimetriche) valga davvero la pena investire.
Come massimizziamo gli investimenti?
Ci sono una serie di considerazioni che guideranno il modo in cui il 5G verrà implementato una volta che lo spettro delle onde millimetriche sarà disponibile. Tutti hanno un impatto sul ROI e, principalmente, ci indirizzano verso un'architettura RAN 5G centralizzata-distribuita:
Master-secondario
Le celle a onde millimetriche più piccole devono funzionare in una disposizione principale-secondaria con la cella LTE più grande o con celle 5G a frequenza inferiore nella modalità di distribuzione 5G “Stand Alone”. Ciò consentirà di combinare una buona copertura e una connettività affidabile fornita dal Master e la capacità aggiuntiva disponibile attraverso le piccole celle secondarie Millimeter Wave. È possibile posizionare opportunamente un numero di secondari per lavorare con un master per fornire doppia connettività a diversi dispositivi nell'area di copertura complessiva della cella master. La connettività dei dispositivi verrà commutata tra principale e secondario (e viceversa) al variare della potenza del segnale radio. Statisticamente, se un numero sufficiente di dispositivi utilizza i secondari, la capacità complessiva sarà sufficiente, anche se alcuni dispositivi utilizzano temporaneamente la capacità del master.
Backhaul
I siti LTE esistenti sono generalmente ben attrezzati in termini di connettività di backhaul, solitamente sotto forma di fibra. Se un sito secondario può effettuare il self-backhaul al master, i dati possono essere aggregati attraverso la connessione in fibra esistente verso la Core Network. Con così tanto spettro disponibile alle frequenze delle onde millimetriche, dovrebbe essere relativamente semplice utilizzarne una parte per formare un collegamento a microonde (o formare un fascio) dal secondario al master per fornire la connessione di auto-backhauling. Naturalmente sarebbe necessaria una linea di sito, ma in generale questa è un'opzione molto più economica rispetto al cablaggio di ogni singolo secondario.
Trasporto frontale
Il collegamento dalla stazione base stessa all'antenna(e) può assumere molte forme. Tuttavia, la connessione finale è tradizionalmente sotto forma di rappresentazioni digitali dell'onda analogica effettiva che deve essere applicata a ciascuna antenna. Con il 5G, il numero enormemente aumentato di antenne significa che semplicemente non è possibile spostare la quantità di informazioni digitali su qualsiasi tipo di distanza (anche su fibra). La soluzione ovvia è che lo stadio finale dell'elaborazione (lo strato più basso nello stack del protocollo) si trova probabilmente nell'unità dell'antenna stessa.
Ciò significa essenzialmente che per le stazioni base a onde millimetriche (piccole celle), la funzionalità della stazione base sarà inevitabilmente separata. Quale forma assuma la separazione delle funzioni e dove si trovi il resto della funzionalità è una questione aperta. Dovrebbe essere nel sito a piccola cella (che agisce come un’unità distribuita – DU), nel sito master (che ora agisce come un’unità centralizzata – CU), o in un mix – con strati più alti nel sito master centralizzato e strati inferiori nel sito distribuito (con il sottostrato più basso nell’unità antenna)?
Facilità di distribuzione
Se scegliamo di implementare la maggior parte delle funzionalità in un sito centralizzato (possibilmente il sito della stazione base principale o un sito RAN centralizzato), significa che è possibile implementare piccole celle aggiuntive in modo economicamente vantaggioso come piccole unità hardware. La capacità dovrebbe essere sufficiente, ma qualsiasi implementazione di celle aggiuntive richiederebbe aggiornamenti minimi alla CU. La diffusione potrebbe essere ulteriormente semplificata se si utilizzassero robuste tecniche di auto-ottimizzazione o di auto-organizzazione come parte del processo di diffusione delle piccole cellule.
Sicurezza
La sicurezza è una preoccupazione crescente per qualsiasi operatore e il 5G ha apportato miglioramenti significativi in quest’area rispetto al 4G. Tuttavia, l’effettiva crittografia dell’interfaccia radio 5G e la protezione dell’integrità (i due principali meccanismi di sicurezza dell’interfaccia radio) operano tra il dispositivo e la stazione base. L'effettiva funzionalità di sicurezza fa parte di uno dei protocolli situati più in alto nello stack dei protocolli. Pertanto, ha senso collocare quella parte della funzionalità della stazione base in un luogo più sicuro, in questo caso un’unità centralizzata, piuttosto che un’unità distribuita.
Esistono altri meccanismi di sicurezza per proteggere la connessione dell'unità centralizzata/unità distribuita, ma nonostante ciò, la sicurezza viene garantita meglio in termini di affidabilità collocando la funzione di crittografia stessa in un luogo più sicuro.
MAEC
Per ridurre la latenza a supporto di un’ampia gamma di nuovi casi d’uso e servizi, la localizzazione delle risorse informatiche ai margini della rete è un requisito fondamentale. Potrebbe trattarsi di un sito RAN adatto o di una co-ubicazione presso la stazione base per un supporto del servizio particolarmente a bassa latenza. Ciò potenzialmente solleva ogni tipo di preoccupazione, di cui due principali sono la sicurezza e il posizionamento fisico dell'effettivo hardware di elaborazione.
L'equilibrio è ottenere l'accesso al supporto a bassa latenza riducendo al contempo il rischio e mantenendo la facilità di implementazione. Ancora una volta, un’architettura centralizzata-distribuita sembra essere una soluzione probabile, in cui le risorse di calcolo sono collocate in una CU relativamente sicura e ben attrezzata.
Funzionamento senza celle
Infine, e un po’ più avanti nel tempo, il 5G introduce potenzialmente un modo completamente nuovo di pensare alla copertura radio, che potrebbe migliorare significativamente l’efficienza e l’affidabilità della connessione. Basato sulla copertura senza cellule e sull'uso estensivo dei raggi, richiede un posizionamento specifico dell'unità radio per funzionare in modo ottimale - idealmente, un posizionamento molto regolare in schemi specifici. Le unità piccole sarebbero molto più facili da posizionare rispetto alle unità più grandi. Ciò punta ancora una volta verso un'architettura distribuita, in cui la DU è mantenuta piccola e leggera.
RIEPILOGO
Tutto indica un’architettura RAN 5G distribuita centralizzata
Sebbene queste considerazioni (sopra) non siano nuove, i documenti delle specifiche 3GPP 5G includono nuove interfacce standardizzate che consentono al gNodeB (il nome tecnico della stazione base 5G) di essere implementato in modo molto flessibile. Potrebbe essere una stazione base completamente integrata o separata nelle diverse funzioni come discusso in questo blog. A prima vista, sembra che abbiamo delle opzioni. In realtà, il modo in cui viene implementato il 5G – lo spettro che utilizziamo, i casi d’uso che supportiamo, le preoccupazioni sulla sicurezza e la facilità di implementazione, tra le altre preoccupazioni – determineranno tutti l’architettura effettiva. Per le ragioni esposte in questo blog, sembra puntare decisamente verso un'architettura centralizzata-distribuita per la stazione base e la RAN nel medio-lungo termine.
Author: Paul Waite
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